автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Автоматизированное управление энергопотреблением машиностроительных производств с целью повышения их энергоэффективности

На правах рукописи

Змиева Кира Анатольевна

АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ УПРАВЛЕНИЕ ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЕМ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ ПРОИЗВОДСТВ С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ ИХ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ

Специальность 05.13.06 - Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (технические системы)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2009

003481103

Работа выполнена в ГОУ ВПО Московский государственный технологический университет «Станкин»

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

Ведущее предприятие:

доктор технических наук, профессор Шварцбург Леонид Эфраимович

доктор технических наук, профессор Абакумов Александр Михайлович

кандидат технических наук, доцент Анисимов Дмитрий Николаевич

Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский электротехнический институт имени В.И. Ленина»

/Л 2009 г. в

Защита состоится «Я » //V 2009 г. в С/часов на заседании диссертационного совета Д 212.142.03 при ГОУ ВПО Московском государственном технологическом университете «Станкин» по адресу: 127994, Москва, Вадковский пер., д. За.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО МГТУ «Станкин».

<Л> /¿7

Автореферат разослан Ш 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, к.т.н., доц. г ^ Е.Г.Семячкова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Автоматизация - важнейшее средство повышения качества и эффективности технологических процессов и производств. Одним из основных показателей качества машиностроительных технологических процессов является их энергоемкость. Это обусловлено следующими соображениями. Экономия электроэнергии составляет существенную часть (свыше 25%) общего потенциала экономии энергоресурсов. В России возможности энергосбережения укрупненно оценивается в 200 - 220 млрд. кВт.час/год. Доля машиностроения в структуре энергопотребления нашей страны составляет в некоторых регионах до 70%. Именно это обстоятельство позволило Правительству РФ в Программе антикризисных мер на 2009 год сформулировать важнейшее направление развития производства энергоэффективность. Это особенно важно, т.к., как отмечено в Энергетической стратегии России на период до 2020 года, на современном этапе экономика России характеризуется высокой энергоемкостью, в 2-3 раза превышающей удельную энергоемкость экономик развитых стран. Не менее важным является и то, что проведение эффективной политики энергосбережения, как показывает опыт развитых стран мира, позволяет развивать реальное производство и социальную сферу без существенного роста потребления электроэнергии (в некоторых странах на 1% прироста ВВП приходится лишь 0.4% прироста энергопотребления).

В машиностроении токарная и фрезерная обработка занимают существенное место. В этой связи задача снижения потребления электроэнергии при реализации технологических процессов токарной и фрезерной обработки имеет существенное значение с точки зрения повышения энергоэффективности машиностроительных производств.

Целью настоящей работы является автоматизированное управление энергопотреблением машиностроительных производств и повышение на этой

основе энергоэффективности технологических процессов токарной и фрезерной обработки.

В соответствии с поставленной целью в работе решались следующие задачи:

1. Проанализировать нагрузочные характеристики металлорежущих станков при реализации технологических процессов токарной и фрезерной обработки.

2. Исследовать взаимосвязи нагрузочных характеристик при реализации технологических процессов, потребляемой при этом электроэнергии и мощности электропривода металлорежущих станков.

3. Разработать алгоритмы и методики автоматизированного управления потреблением электрической энергии посредством контроля и компенсации реактивной мощности при токарной и фрезерной обработке.

4. Разработать и исследовать автоматизированную конденсаторную установку, реализующую алгоритмы и методики управления потреблением электрической энергии.

Методы исследования

При исследовании применялись основные положения теории автоматического управления, технологии машиностроения, теории резания, теоретической электротехники, математической статистики и теории эксперимента.

Научная новизна работы заключается в:

• установлении взаимосвязи нагрузочных характеристик при

реализации технологических процессов токарной и фрезерной обработки, энергоэффективности металлообрабатывающих станков и мощности их электропривода;

• методике снижения потребления энергии при реализации технологических процессов посредством управления

коэффициентом мощности электроприводов металлорежущих станков;

• разработке алгоритмов автоматизированного управления потреблением электрической энергии и их адаптации к реальным нагрузочным характеристикам технологических процессов;

• методике создания комплексной автоматизированной энергосберегающей системы машиностроительных предприятий.

Практическая ценность работы заключается в повышении энергоэффективности технологических процессов токарной и фрезерной обработки, а значит и их конкурентоспособности за счет снижения потребления электрической энергии и улучшения ее качества.

Реализация работы

Результаты работы были использованы при создании автоматизированных локальных энергосберегающих систем для токарных и фрезерных станков, а также в учебном процессе на кафедре «Инженерная экология и безопасность жизнедеятельности» ГОУ ВПО МГТУ «Станкин» при изучении дисциплин «Автоматические системы обеспечения безопасности технологических процессов и производств» и «Автоматизация обеспечения экологических показателей качества машиностроительных производств».

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на:

1. заседаниях кафедры «Инженерная экология и безопасность жизнедеятельности» ГОУ ВПО МГТУ «Станкин»;

2. научно-методической конференции «Машиностроение - традиции и инновации» (МТИ-08), ГОУ ВПО МГТУ «Станкин», г. Москва, ноябрь 2008 г.;

3. международных конференциях «Производство. Технология. Экология - ПРОТЭК», Москва, ГОУ ВПО МГТУ «Станкин», в 2007, 2008, 2009 гг.;

4. I всероссийском конкурсе молодых ученых имени академика В.П. Макеева, г. Миасс, сентябрь 2009 г.;

5. международной конференции «Экологические аспекты производства и среды», ГОУ «Западная высшая школа», г. Зелена Гура, Польша, июнь 2009 г.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ.

Структура и объем работы

Работа состоит из введения, 4-х глав, основных выводов, изложена на 97 страницах машинописного текста, содержит 23 рисунка, 16 таблиц, список литературы включает в себя 69 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дается общая характеристика работы и обосновывается ее актуальность.

Первая глава посвящена анализу современных методов и средств обеспечения качества машиностроительных технологических процессов и показано место и роль в обеспечении качества автоматизированных систем управления. Проанализирован один из основных показателей качества технологических процессов механообработки - их энергоэффективность.

Проанализированы работы ученых: В.А. Веникова, О.В. Веселова, A.C. Верещаки, А.И. Вольдека, С.Н. Григорьева, М.Г. Косова, В.И. Кочкина, В.Г. Митрофанова, О.П. Михайлова, О.П. Нечаева, Ю.М. Соломенцева, В.К. Старкова, И.В. Харизоменова, Л.Э. Шварцбурга и др., направленные на повышение уровня технологического оборудования, качества технологических процессов, а также качества электроэнергии в промышленных сетях. Также приведены результаты патентных исследований по минимизации потребления энергии при реализации машиностроительных технологических процессов.

Рассмотрены основные причины повышенного энергопотребления на машиностроительном производстве, методы и средства снижения потребления электрической энергии при реализации машиностроительных технологических процессов.

Можно выделить несколько основных направлений минимизации энергопотребления при заданных параметрах технологических операций и режимах резания:

1. подбор промышленного оборудования с минимальным запасом по мощности, т.е. с номинальной мощностью, соответствующей эквивалентной мощности реализуемых на нем технологических процессов;

2. снижение потерь электрической энергии при ее преобразовании в механическую и передаче в зону обработки;

3. снижение реактивной составляющей потребляемой электрической энергии.

Одним из наиболее эффективных методов управления энергопотреблением с целью повышения энергоэффективности машиностроительных производств является снижение реактивной составляющей потребляемой электрической энергии.

Потребление электрической энергии и наличие ее реактивной составляющей, как правило, регулируется на трансформаторных подстанциях, питающих крупные промышленные предприятия, посредством мощных компенсационных установок (например, статических тиристорных компенсаторов).

Точность такой компенсации невелика из-за большой дискретности регулирования и высокого уровня потерь, а также из-за невозможности локальной компенсации непосредственно в источнике повышенного потребления электрической энергии - металлорежущем станке.

Как хорошо известно, токарная и фрезерная обработки являются одними из наиболее распространенных на машиностроительных предприятиях. По этой причине, основное внимание в работе уделено методам и средствам автоматического снижения реактивной составляющей потребляемой электрической энергии при этих видах обработки.

Вторая глава посвящена рассмотрению физической сущности реактивной составляющей потребляемой при реализации технологических процессов электрической энергии и анализу современных методов и средств ее минимизации.

Как хорошо известно, одними из наиболее распространенных электроприводов металлорежущих станков являются электропривода переменного тока с трехфазными асинхронными двигателями, представляющие собой трехфазную симметричную нагрузку.

Для трехфазной симметричной электрической цепи мгновенная мощность одной фазы определяется выражением:

p = iu=^UmIm cos<р~UmIm cos(2cot -<p), (!)

где I, U - мгновенные значения соответственно тока и напряжения, Im, Ura - максимальные значения соответственно тока и напряжения, ф - фазный угол,

ш - круговая частота тока и напряжения.

После несложных преобразований из (1) имеем:

Р = ^UJm cos^l -cos2(ot) + ^UnIm sinpsin2atf. (2)

Как следует из последнего выражения, мгновенная мощность имеет две составляющие. Первая составляющая - сугубо положительная и представляет собой активную мощность, определяемую выражением (через действующее значение тока и напряжения):

Р = IU cos <р. (3)

Вторая составляющая является гармонически изменяющейся во времени величиной удвоенной частоты и определяет периодический обмен энергией между генератором и потребителем и связана с наличием в системе индуктивных и (или) емкостных элементов.

Эта составляющая определяет реактивную мощность Q:

Q = IU sin (p. (4)

В этом случае, полная мощность цепи Б определяется векторной суммой:

Обязательное наличие реактивной мощности при передаче электрической энергии существенно снижает энергетическую эффективность машиностроительных производств. Действительно, как следует из последнего выражения, величина полной мощности, потребляемой из источника, при заданном технологом значении необходимой для реализации технологического процесса активной мощности, определяемой режимами резания и потерями мощности, определяется выражением:

Р

5 =-= Ш.

сощ

Как следует из последнего выражения, энергоэффективность машиностроительного производства определяется величиной, обратной коэффициенту мощности (соБср) электропривода металлообрабатывающего станка.

Наличие реактивной составляющей энергии приводит к ряду существенных негативных последствий. При этом, чем меньше коэффициент мощности оборудования, тем большую мощность Б должен иметь источник питания и тем больший ток должен проходить по проводам силовой цепи предприятия, что в свою очередь ведет к увеличению потерь в этой цепи и к дополнительному снижению качества электроэнергии. Кроме того, увеличение тока требует для его передачи проводов большего сечения, т.е. применения более дорогостоящих кабельных систем и электротехнического оборудования большей мощности.

Проведенный в работе анализ показал, что для трехфазного асинхронного электродвигателя значение коэффициента мощности существенно зависит от нагрузки на его валу и изменяется в диапазоне 0,26 -

0,83 для различных типоразмеров двигателей (таблица 1), при изменении нагрузки на его валу.

Таблица 1

Энергетические показатели электродвигателей основного исполнения

Типоразмер электродвигателя РнОМ) кВт сов ф при Р/Рном, %

25 50 75 100 125

4А901-В8УЗ 1,1 0,30 0,46 0,59 0,68 0,73

4А1001-8УЗ 1,5 0,26 0,44 0,57 0,65 0,69

4А112МА8УЗ 2,2 0,30 0,48 0,62 0,71 0,76

4А112МВ8УЗ 3,0 0,33 0,52 0,66 0,74 0,78

4А132Э8УЗ 4,0 0,27 0,46 0,59 0,70 0,73

4А132М8УЗ 5,5 0,32 0,52 0,65 0,74 0,78

4А160Б8УЗ 7,5 0,35 0,57 0,69 0,75 0,77

4А160М8УЗ 11,0 0,35 0,57 0,69 0,75 0,77

4А180М8УЗ 15,0 0,45 0,68 0,78 0,82 0,83

Характер изменения коэффициента мощности электродвигателя при изменении нагрузки на его валу показан на рис. 1.

изменении нагрузки на его валу (Рн - номинальная мощность) Из рис. 1 следует, что коэффициент мощности значительно снижается при эксплуатации оборудования в режиме недогрузки (Р<Р„0М). Такая ситуация

в свою очередь приводит к увеличению полной потребляемой мощности за счет значительного повышения ее реактивной составляющей.

В работе были проанализированы нагрузочные характеристики для некоторых типовых технологических процессов обработки изделий на токарных и фрезерных станках, и проведены исследования зависимости энергопотребления от мощности резания.

В качестве примера на рис. 2 изображена нагрузочная характеристика технологического процесса обработки трехступенчатого вала на токарном станке.

" Р, кВт

О 10 20 30 40 50 60 70 80 ^сеК

Рис. 2. Нагрузочная характеристика технологического процесса обработки трехступенчатого вала на токарном станке (номинальная мощность электропривода -11 кВт)

Из рис. 2 видно, что в типовых технологических процессах двигатели электроприводов металлорежущих станков эксплуатируются с мощностью, значительно меньше номинальной. Это относится как к мощности технологического перехода, так и к эквивалентной мощности всего цикла обработки изделия.

Например, для случая, изображенного на рис. 2:

V '=1 'ц

где Р| - мощность резания ¡-го перехода (кВт), Ъ - время ¡-го перехода, сек., ^ - общее время цикла, сек.

Эта ситуация существенно ухудшается за счет холостых ходов. Анализ показал, что в ряде случаев суммарное время холостых ходов может достигать 50-60% цикла обработки изделия.

Из (5) следует, мощность технологических переходов в (1,4-10) раз меньше номинальной мощности электропривода, а эквивалентная мощность рассматриваемого технологического процесса более чем в 2 раза ниже номинальной мощности оборудования. Аналогичные значения были получены для всех исследованных технологических процессов токарной и фрезерной обработки. Анализ полученных результатов позволил сделать вывод о том, что в большинстве случаев металлорежущие станки при токарной и фрезерной обработке работают в режимах значительных недогрузок, что существенно снижает коэффициент мощности оборудования и увеличивает реактивную составляющую мощности, в конечном итоге снижает энергоэффективность машиностроительного производства в целом.

Третья глава посвящена исследованию путей снижения потребления электрической энергии посредством компенсации реактивной мощности при реализации технологических процессов токарной и фрезерной обработки.

Одним из основных направлений снижения потребления электрической энергии, как указывалось выше, является снижение ее реактивной составляющей, реализуемое посредством компенсации сдвига фаз. При этом необходимо обеспечить параллельное подключение конденсаторных батарей к каждой фазе нагрузки. Такое подключение емкостей позволяет существенно снизить реактивную составляющую потребляемой электрической энергии, а в идеальном случае довести ее до нулевого значения. Глубина компенсации

реактивной составляющей определит достигаемый коэффициент мощности, который в идеальном случае равен единице.

Можно показать, что величина емкости в этом случае определяется выражением:

„ Рхз sin w, coscos®, sin«

(J — _1_ ._Z_2_

T]0)U2 COS^COS(3

где Ррсз - мощность, необходимая для реализации технологического перехода, о - круговая частота тока,

V) - к.п.д. системы преобразования электрической энергии и ее передачи в зону резания, U — напряжение фазы трехфазной сети,

Фд, ф - фазный угол, соответственно без компенсации и с компенсацией реактивной мощности.

После несложных преобразований для случая полной компенсации реактивной мощности из (6) имеем:

.Как следует из (6) и (7) величина компенсационной емкости при прочих равных условиях зависит от мощности технологического перехода и от скорости вращения, которая определяет величину фя.

Все вышеизложенное было проверено на компьютерной модели трехфазного асинхронного электродвигателя, выполненной в интерактивном эмуляторе электрических схем Multisim Electronics Workbench (рис. 3).

Исследования, проведенные на модели, полностью подтвердили предложенную методику компенсации реактивной мощности.

Исследования нагрузочных характеристик при реализации технологических процессов токарной и фрезерной обработки показали, что мощности резания технологических переходов существенно различны.

Так, например, при обработке трехступенчатого вала, нагрузочная характеристика которого приведена на рис. 2, мощности технологических переходов за время цикла отличаются примерно в (1,4-10) раз, что обосновывает необходимость постоянного автоматического слежения за

параметрами технологического процесса и автоматического подключения необходимой по величине компенсационной емкости.

о

Р

ь

i: е

я В

т

Щ : J (у %

1 II

1 А j.

И

10 ¿ЯМов

О га л

50 Иг О"

я

i It №шм1

ч

V

A

ъ

J ;

Звгге!.; -1991V «236 V

S*3V WSTTV

■ ft*. • .' РИТЕ)* , .■; -. .:: • j ItQj*

«Г?«*- itej,^«» m l

fcjnsxr;: :v(e>w ;o vps«r;i ij*

0

Рис. 3. Моделирование процесса компенсации реактивной мощности при работе асинхронного электродвигателя по различным нагрузочным характеристикам в среде Multisim Electronics Workbench

На рис. 4 в качестве примера представлены результаты экспериментальных исследований эффективности компенсации реактивной составляющей потребляемой мощности при токарной обработке. Исследования проводились на токарном станке мод. 16К20, в приводе которого установлен асинхронный двигатель мод. 4АП2М4УЗ, номинальной мощности 11 кВт.

О 20 40 60 80 100 120 140

Нагрузка в % от номинальной

Рис. 4. Экспериментальная зависимость коэффициента мощности оборудования от нагрузки на выходном валу электродвигателя без компенсации реактивной мощности (РМ) и с компенсацией

Как следует из рис. 4, при изменении нагрузки, за счет компенсации реактивной составляющей потребляемой мощности, коэффициент мощности оборудования повышается в 1,5-2 раза. При этом наибольшая эффективность достигается при наиболее часто встречающемся случае - недогрузке оборудования, что полностью соответствует материалу, изложенному в предыдущей главе. Так, при недогрузке двигателя величина коэффициента мощности после компенсации повышается в 1,55 раза (при Ртек~20% Рн) и в 1,48 раза (при Ртек~40%Рн), а при увеличении нагрузки от 60 до 120 % Рн - в 1,4 раза.

Таким образом, для компенсации реактивной составляющей потребляемой мощности необходимо обеспечить автоматическое подключение конденсаторов, величина которых определяется, в первую очередь, реальной мощностью технологических переходов.

Четвертая глава посвящена разработке алгоритма автоматизированного управления потреблением электрической энергии при токарной и фрезерной обработке и адаптации автоматизированной системы к реальным нагрузочным характеристикам технологического процесса.

Структурная схема алгоритма автоматизированного управления потреблением электрической энергии с использованием программируемого контроллера показана на рис. 5.

Рис. 5. Структурная схема алгоритма

Требуемое значение коэффициента мощности, диапазон и число ступеней регулирования вводятся пользователем в программируемый контроллер. Получая текущее значение тока и напряжения, программа, в реальном масштабе времени, определяет текущее значение коэффициента мощности, сравнивает его с заданным пользователем значением, и, в зависимости от величины расхождения, производит коммутацию блока конденсаторов необходимой емкости.

Схема экспериментальной установки, реализующей указанный алгоритм, представлена на рис. 6.

Рис.6. Схема экспериментальной установки автоматизированного управления потреблением энергии

Установка включает в себя блок конденсаторных батарей,

коммутационный блок для подключения конденсаторных батарей и

сигнализации, счетчик электрической энергии, микропроцессорный блок,

управляющий коммутационным блоком, и включающий в себя контроллер с портами для коммутации с компьютерами и датчиками-измерителями электрических параметров сети.

Общий вид экспериментальной установки представлен на рис. 7.

Рис. 7. Общий вид установки

Экспериментальная автоматизированная установка рассчитана для компенсации реактивной мощности до 10 кВАр. Она создана на базе микропроцессорного программируемого контроллера BR 6000 фирмы Epcos, обеспечивающего работу с двадцатью стандартными вариантами наборов конденсаторных батарей. Контроллер позволяет осуществлять управление значением коэффициента мощности как в ручном, так и в автоматическом режиме, путем коммутации блока конденсаторов необходимой емкости. При этом на дисплей контроллера выводятся различные параметры сети -напряжение, ток, частота, активная, реактивная и полная мощность, коэффициент мощности и др.

Основными характерными особенностями установки являются:

• управление коэффициентом мощности в автоматическом режиме;

• возможность увеличения и уменьшения установленной мощности в зависимости от потребности;

• незначительные потери активной мощности, лежащие в пределах 0,3-0,45 кВт на 100 кВАр;

• сравнительно малая масса установки и высокая мобильность;

• простота эксплуатации.

В качестве иллюстрации эффективности применения разработанной установки на рис. 8 приведены значения потребляемой электрической мощности из сети при реализации технологических процессов разной мощности резания, зависящей от скорости подачи, частоты вращения вала и глубины резания, а также материала заготовки и параметров инструмента (табл. 2).

Таблица 2.

Результаты экспериментальных исследований величины энергопотребления при

токарной обработке

N технологической операции Диаметр заг отовки О, мм Скорость подачи 8, мм/об Глубина резания 1, мм Время обработки, сек Потребляемая мощность

Активная составляющая, кВт Реактивная составляющая, кВАр Полная, кВА

Без компенсации С компенсацией Без компенсации С компенсацией Без компенсации С компенсацией

1 160 0,1 1 3105 1,35 1,35 5,55 0,85 5,7 1,6

2 160 0,1 2 3200 1,5 1,5 5,85 1,4 6,05 2,05

3 160 0,2 1 1575 0,64 0,64 2,88 0,45 2,95 0,61

4 160 0,2 2 1635 0,75 0,76 2,65 0,45 2,75 0,9

5 160 0,2 4 1715 1 1 2,8 0,55 2,95 1,2

Проведенные исследования показали, что применение автоматического управления реактивной составляющей потребляемой мощности позволяет существенно повысить эффективность использования электрической энергии.

Значения получены для 5 технологических операций обработки резанием на токарном станке мод. 16К20 с автоматической компенсацией реактивной мощности и без нее. В процессе эксперимента производились замеры активной и реактивной составляющих потребляемой мощности при изменении значений глубины резания и скорости подачи в процессе точения вала заданного диаметра и длины.

Конечные результаты исследований представлены на рис. 8.

1 2 3 4 5

Технологическая операция

Рис. 8. Эффективность применения автоматизированной установки Из рис. 8 видно, что применение автоматической компенсации реактивной мощности при обработке точением на станке мод. 16К20 позволило снизить значение реактивной составляющей мощности в 3-6 раз, и, за счет этого, уменьшить потребление электрической мощности в 3,5-4 раза. Особенно сильно эффект применения автоматизированной установки проявляется при значительных недогрузках оборудования, что полностью соответствует результатам исследований, изложенным выше. В режимах нагрузки, близких к номинальным, при подключении автоматизированной системы

энергопотребление удалось снизить на 20-25%. Проведенные экспериментальные исследования на фрезерных станках также показали высокую эффективность компенсации реактивной составляющей потребляемой мощности.

Основные выводы н результаты работы:

1. В работе решена научная задача автоматизации и управления энергопотреблением машиностроительных производств с целью повышения энергоэффективности технологических процессов, имеющая большое значение для машиностроения.

2. Выявлена зависимость энергоэффективности металлообрабатывающего оборудования от нагрузочных характеристик, реализуемых на нем технологических процессов. Доказано, что энергоэффективность существенно снижается при недогрузках оборудования.

3. Для повышения энергоэффективности необходимо снижать реактивную составляющую потребляемой при реализации технологических процессов электрической мощности посредством автоматического управления коэффициентом мощности. При этом энергоэффективность повышается в зависимости от параметров технологического процесса.

4. Разработаны алгоритмы и методики автоматизированного управления потреблением электрической энергии, которые адаптируются к реальным нагрузочным характеристикам технологических процессов. Исследование моделей, реализующих разработанные алгоритмы и методики, подтвердили их достоверность.

5. Разработана экспериментальная установка на основе программируемого контроллера для автоматизированного управления энергопотреблением. Ее исследования показали, что при токарной и фрезерной обработке энергопотребление снижается на (30-300)% в зависимости от параметров технологического процесса и характеристик станка.

6. Результаты работы могут быть использованы на машиностроительных предприятиях, реализующих технологии обработки материалов резанием, а также в учебном процессе по дисциплинам

«Автоматические системы обеспечения безопасности технологических процессов и производств» и «Автоматизация обеспечения экологических показателей качества машиностроительных производств».

Список печатных работ:

1. Змиева К.А. Применение автоматических компенсаторов реактивной мощности для повышения энергоэффективности управления электроприводом металлообрабатывающих станков // Электротехника, №11, 2009. С. 26-31.

2. Змиева К.А. Обеспечение энергоэффективности технологических процессов за счет автоматического управления величиной недогрузки оборудования. // Безопасность жизнедеятельности. Научный рецензируемый журнал. М.: ООО «Новые технологии», №10,2009. С. 6-8.

3. Змиева К.А. Повышение энергоэффективности промышленных производств посредством создания автоматизированных программно-управляемых энергосберегающих систем // Вопросы современной науки и практики. Университет им. В.И. Вернадского, № 9,2009. С. 162-166.

4. Змиева К.А. Создание локальных унифицированных энергосберегающих систем для промышленных производств / «Наука и технологии. Итоги диссертационных исследований» Том 2 (Серия «Избранные труды Российской школы») - М.: РАН, 2009. С. 96-108.

5. Zmieva К A Increase the effectiveness of the technological process of cutting on the basis of a unified automated system of energy conservation // Сборник монографий «Вопросы общественной безопасности» Института научных исследований и экспертиз и Европейского экологического сообщества «Комплексная безопасность». //Zielona Gora, 2009 (Польша). ISBN 978-83-89932-04-4. С. 99-107.

6. Шварцбург Л.Э., Змиева К.А. Параметрическая оптимизация электроприводов технологического оборудования посредством автоматических конденсаторных установок // Вестник МГТУ «Станкин». Научный рецензируемый журнал. М.: МГТУ «Станкин», №4 (4), ISSN 20723172, 2008. С. 138-143.

7. Змиева К.А. Метод снижения энергопотребления за счет автоматизации управления величиной реактивной мощности // Вестник МГТУ «Станкин». Научный рецензируемый журнал. М.: МГТУ «Станкин», №3 (3), ISSN 2072-3172, 2008. С. 22-27.

8. Шварцбург Л.Э., Змиева К.А., Маркин A.B. Снижение энергетической нагрузки на окружающую среду при обработке резанием. Сборник статей и монографий «Экологические аспекты производства и среды» ISSN 1429-6063, ISBN 978-83-60691-43-4 Opole (Польша). 2008. С. 139-145.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Змиева Кира Анатольевна

Автоматизированное управление энергопотреблением машиностроительных производств с целью повышения их энергоэффективности

Подписано в печать 20.10.2009. Формат 60x90 1/16. Бумага 80 г. Усл. печ. л. 1,38. Тираж 100 экз. Заказ № 278.

Отпечатано в Издательском центре

ГОУ ВПО Московский государственный технологический университет «Станкин». 127055, Москва, Вадковский пер., За. Тел.: 8(499) 973-31-93

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ 9 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ

1.1 Снижение энергопотребления как важнейшая задача 9 современного машиностроения

1.2 Автоматизированные системы снижения ^ энергопотребления в машиностроении

1.3 Анализ автоматизированных систем снижения энергопотребления на машиностроительных 15 предприятиях

1.4 Постановка задачи

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ

ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЯ ПРИ РЕАЛИЗАЦИИ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ТОКАРНОЙ И ФРЕЗЕРНОЙ ОБРАБОТКИ

2.1 Методика расчета режимов резания технологических 20 процессов токарной и фрезерной обработки

2.2 Описание программы «Режимы резания»

2.3 Расчет режимов резания

2.4 Расчет и анализ нагрузочных характеристик при реализации технологических процессов токарной и фрезерной обработки

2.5 Причины возникновения реактивной составляющей потребляемой при реализации технологических 48 процессов мощности

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕХНОЛОГИЧСЕКИХ ПРОЦЕССОВ 54 ТОКАРНОЙ И ФРЕЗЕРНОЙ ОБРАБОТКИ МЕТОДОВ КОМПЕНСАЦИИ СДВИГА ФАЗ

3.1 Анализ методов снижения энергопотребления посредством минимизации реактивной мощности

3.2 Минимизация реактивной мощности посредством компенсации сдвига фаз

3.3 Моделирование возможности автоматизированного управления энергопотреблением в интерактивном 62 эмуляторе электрических схем

3.4 Экспериментальные исследования эффективности метода компенсации сдвига фаз для снижения 65 потребления энергии

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ

АВТОМАТИЗИРОВАННОГО УПРАВЛЕНИЯ

ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЕМ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ

ПРОИЗВОДСТВ

4.1 Разработка алгоритма автоматизированного управления потреблением электрической энергии при 68 токарной и фрезерной обработке

4.2 Разработка экспериментальной установки для автоматизированного управления энергопотреблением ^q при реализации технологических процессов токарной и фрезерной обработки

4.3 Экспериментальное исследование установки для автоматизированного управления энергопотреблением 81 при токарной и фрезерной обработке

4.4 Расчет экономической эффективности от компенсации реактивной мощности на машиностроительном 85 производстве

Актуальность

Автоматизация- - важнейшее средство повышения качества и эффективности технологических процессов и производств. Одним из основных показателей качества машиностроительных технологических процессов является их энергоемкость. Это обусловлено следующими соображениями. Экономия электроэнергии составляет существенную часть (свыше 25%) общего потенциала экономии энергоресурсов. В России возможности энергосбережения укрупненно оценивается в 200 - 220 млрд. кВт.час/год. Доля машиностроения в структуре энергопотребления нашей страны составляет в некоторых регионах до 70%. Именно это обстоятельство позволило Правительству РФ в Программе антикризисных мер на 2009 год сформулировать важнейшее направление развития производства энергоэффективность. Это особенно важно, т.к., как отмечено в Энергетической стратегии России на период до 2020 года, на современном этапе экономика России характеризуется высокой энергоемкостью, в 2-3 раза превышающей удельную энергоемкость экономик развитых стран. Не менее важным является» и то, что проведение эффективной политики энергосбережения, как показывает опыт развитых стран мира, позволяет развивать реальное производство и социальную сферу без существенного роста потребления электроэнергии (в некоторых странах на 1% прироста ВВП приходится лишь 0.4% прироста энергопотребления).

В машиностроении токарная и фрезерная обработка занимают существенное место. В этой связи задача снижения потребления электроэнергии при реализации технологических процессов токарной и фрезерной обработки имеет существенное значение с точки зрения повышения энергоэффективности машиностроительных производств.

Целью настоящей работы является автоматизированное управление энергопотреблением машиностроительных производств и повышение на этой основе энергоэффективности технологических процессов токарной и фрезерной обработки.

В соответствии с поставленной целью в работе решались следующие задачи: t

1. Проанализировать нагрузочные характеристики металлорежущих станков при реализации технологических процессов токарной и фрезерной обработки.

2. Исследовать взаимосвязи нагрузочных характеристик при реализации технологических процессов, потребляемой при этом электроэнергии и мощности электропривода металлорежущих станков.

3. Разработать алгоритмы и методики автоматизированного управления потреблением электрической энергии посредством контроля и компенсации реактивной мощности при токарной и фрезерной обработке.

4. Разработать и исследовать автоматизированную конденсаторную установку, реализующую алгоритмы и методики управления потреблением электрической энергии.

Методы исследования

При исследовании применялись основные положения теории автоматического управления, технологии машиностроения, теории резания, теоретической электротехники, математической статистики и теории эксперимента.

Научная новизна работы заключается в:

• установлении взаимосвязи нагрузочных характеристик при реализации технологических процессов токарной и фрезерной обработки, энергоэффективности металлообрабатывающих станков и мощности их электропривода;

• методике снижения потребления энергии при реализации технологических процессов посредством управления коэффициентом мощности электроприводов металлорежущих станков;

• разработке алгоритмов автоматизированного управления потреблением электрической энергии и их адаптации к реальным нагрузочным характеристикам технологических процессов;

• методике создания комплексной автоматизированной энергосберегающей системы машиностроительных предприятий.

Практическая ценность работы заключается в повышении энергоэффективности технологических процессов токарной и фрезерной обработки, а значит и их конкурентоспособности за счет снижения потребления электрической энергии и улучшения ее качества.

Реализация работы

Результаты работы были использованы при создании автоматизированных локальных энергосберегающих систем для токарных и фрезерных станков, а также в учебном процессе на кафедре «Инженерная экология и безопасность жизнедеятельности» ГОУ ВПО МГТУ «Станкин» при изучении дисциплин «Автоматические системы обеспечения безопасности технологических процессов и производств» и «Автоматизация обеспечения экологических показателей качества машиностроительных производств».

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на:

1. заседаниях кафедры «Инженерная экология и безопасность жизнедеятельности» ГОУ ВПО МГТУ «Станкин»;

2. научно-методической конференции «Машиностроение - традиции и инновации» (МТИ-08), ГОУ ВПО МГТУ «Станкин», г. Москва, ноябрь 2008 г.;

3. международных конференциях «Производство. Технология. Экология - ПРОТЭК», Москва, ГОУ ВПО МГТУ «Станкин», в 2007, 2008, 2009 гг.;

4. I всероссийском конкурсе молодых ученых имени академика В.П. Макеева, г. Миасс, сентябрь 2009 г.;

5. международной конференции «Экологические аспекты производства и среды», ГОУ «Западная высшая школа», г. Зелена Гура, Польша, июнь 2009 г.

Публикации

По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, в том числе в журналах из перечня ВАК - 3.

Структура и объем работы

Работа состоит из введения, 4-х глав, основных выводов, изложена на 97 страницах машинописного текста, содержит 23 рисунка, 16 таблиц, список литературы включает в себя 69 наименований.

6. Результаты работы могут быть использованы на машиностроительных предприятиях, реализующих технологии обработки материалов резанием, а также в учебном процессе по дисциплинам «Автоматические системы обеспечения безопасности технологических процессов и производств» и «Автоматизация обеспечения экологических показателей качества машиностроительных производств».

1. Александров А.Г. Оптимальные и адаптивные системы. М.: Высш. шк., 1989. - 326 е.: ил.

2. Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя. В 3 т. Т.1. изд. перераб. и доп. Под ред. И.Н. Жестковой. М. Машиностроение, 2001. - 920 е.: ил.

3. Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя. В 3 т. Т.2. изд. перераб. и доп. Под ред. И.Н. Жестковой. М. Машиностроение, 2001.-912 е.: ил.

4. Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя. В 3 т. Т.З. изд. перераб. и доп. Под ред. И.Н. Жестковой. М. Машиностроение, 2001.-864 е.: ил.

5. Асинхронные двигатели серии 4А: Справочник / А.Э. Кравчик, М.М. Шлаф, В.И. Афонин, Е.А. Соболенская. М.: Энергоиздат, 1982. - 504 е.: ил.

6. Баграмов Л.Г., Колокатов A.M. Расчет режимов резания при фрезеровании. Методические рекомендации по курсу «Технологии конструкционных материалов» М.: МГАУ им. В.П. Горячкина, 2000. - 40 с.

7. Ачеркан Н.С. и др. Металлорежущие станки. Учебное пособие для машиностроительных вузов — М.: Государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы, 1957. 1015 е.: ил.

8. Байкалова В.Н., Колокатов A.M., Малинина И.Д. Расчет режимов резания при точении / Методические рекомендации. М.: 2000. 38-38 е.: ил.

9. Балакшин Б.С. Основы технологии машиностроения М., «Машиностроение», 1969. - 358 с.

10. Бесекерский В.А., Попов Е.П. Теория систем автоматического регулирования. -М.: Наука, 1974.

11. Веников В.А., Жуков JI.A., Карташев И.М. Статические источники реактивной мощности в электрических сетях. — М.: Энергия, 1975.

12. Верещака А.С., Кириллов А.К., Хаустова О.Ю. Экологически чистые и ресурсосберегающие технологии обработки: Методические указания к выполнению курсовой работы М., 2004. - 33 с.

13. Веселов О.В. Концепция управления состоянием электромеханических систем с использованием диагностических станций // Журнал «Мехатроника, автоматизация, управление», 2007.

14. Волобринский С.Д., Каялов Г.М., Клейн П.Н. Электрические нагрузки промышленных предприятий. JL: Энергия, 1971.

15. Вольдек А.И. Электрические машины. Учебник для студентов высш. техн. учебн. заведений. 3-е изд., перераб. - Л.: Энергия, 1978. - 832 е.: ил.

16. Востриков А.С., Французова Г.А. Теория автоматического регулирования: Учебное пособие для вузов. М.: Высш. Шк., 2004. - 365 е.: ил.

17. Вульф A.M. Резание металлов. Изд. 2-е. Л.: Машиностроение, 1973.-496 е.: ил.

18. ГОСТ 13109-97. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. М.: Издательство стандартов, 1997.

19. Григорьев С.Н. Методы повышения стойкости режущего инструмента: Учебник для студентов втузов. М.: Машиностроение-1, 2009. - 368 е.: ил.

20. Детали и механизмы металлорежущих станков в 2 т. Под ред. Решетова Д.Н. 1972.

21. Железко Ю.С. Компенсация реактивной мощности в сложных электрических системах. М.: Энергоиздат, 1981.

22. Железко Ю.С. О нормативных документах в области качества электроэнергии и условий потребления реактивной мощности // Электрика. 2003. №1. С.9-16.

23. Змиева К.А. Применение автоматических компенсаторов реактивной мощности для повышения энергоэффективности управления электроприводом металлообрабатывающих станков // Электротехника, №11, 2009. С. 26-31.

24. Змиева К.А. Повышение эффективности управления процессом механообработки на основе автоматизированной системы энергосбережения // Безопасность жизнедеятельности, №10, 2009. С. 6-8.

25. Змиева К.А. Повышение энергоэффективности промышленных производств посредством создания автоматизированных программно-управляемых энергосберегающих систем // Вопросы современной науки и практики. Университет им. В.И. Вернадского, № 9, 2009. С. 162-166.

26. Змиева К.А. Создание локальных унифицированных энергосберегающих систем для промышленных производств / «Наука и технологии. Итоги диссертационных исследований» Том 2 (Серия «Избранные труды Российской школы») М.: РАН, 2009. С. 96-108.

27. Змиева К.А., Шварцбург Л.Э. Автоматизированные энерго- и ресурсосберегающие системы для промышленных производств // Экология и промышленность России, №11, 2009. С. 26-28.

28. Константинов Б.А., Зайцев Г.З. Компенсация реактивной мощности. JT.: Госэнергоиздат, 1975. - 101 е.: ил.

29. Косов М.Г., Ковальчук Е.Р., Митрофанов В.Г. Основы автоматизации машиностроительного производства: Учебник для вузов. Издание 2-е, испр. М.: Высшая школа, 2001. - 312 с.

30. Кочкин В.И., Нечаев О.П. Применение статических компенсаторов реактивной мощности в электрических сетях энергосистем и предприятий. М.: Издательство НЦ ЭНАС. 2000. - 248 е.: ил.

31. Кудрин Б.И. Электроснабжение промышленных предприятий: учебник для студентов высших учебных заведений. 2-е изд. - М.: Интермет Инжиниринг, 2006. - 672 е.: ил.

32. Кузовкин В.А. Теоретическая электротехника: Учебник. М.: Логос, 2002. - 480 с.

33. Кузовкин В.А., Филатов В.В. Моделирование процессов в электрических цепях. Учебное пособие по дисциплине «Электротехника и электроника». М.: ИЦ МГТУ «Станкин», 2006. - 212 с.

34. Лоторейчук Е.А. Теоретические основы электротехники: Учебник. М.: ФОРУМ: ИНФРА-М, 2004. - 316 е.: ил.

35. Малиновский В.Н., Демидова-Панферова P.M., Попов B.C. Электрические измерения. -М.: Энергоиздат, 1982. 392 е.: ил.

36. Мельников М.А. Электроснабжение промышленных предприятий / Учебное пособие. Томск: Изд. ТПУ, 2000. — 144 с.

37. Методы оптимизации режимов энергосистем / Под ред. В.М. Горнштейна. -М.: Энергоиздат, 1981.

38. Минин Г.П. Реактивная мощность. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1963. - 88 е.: ил.

39. Михайлов О.П. Автоматизированный электропривод станков и промышленных роботов. М.: Машиностроение, 1990. - 56 с.

40. Михайлов О.П. Перспективы развития автоматизированного электропривода металлорежущих станков // Электричество 1985. - 10. С. 11-17.

41. Михайлов О.П. Цейтлин Л.Н. Измерительные устройства в системах адаптивного управления станками. М.: Машиностроение, 1985. -170 с.

42. Митрофанов В.Г., Калачев О.Н. и др. САПР в технологии машиностроения: Учебное пособие. Ярославль; Ярославский технический университет, 1995. — 298 с.

43. Павлов В.В., Соломенцев Ю.М., Гусев А.А. Машмностроение: Энциклопедия: в 40 тт.: Раздел III: Технология производства машин: Т. III-5: Технология сборки в машиностроении. М.: Машиностроение, 2002. - 640 с.

44. Порядин А.Ф., Хованский А.Д. Оценка и регулирование качества окружающей природной среды. Учебное пособие для инженера эколога. -М.: НУМЦ Минприроды России, Издательский дом «Прибой», 1996. - 350 с.

45. Прокопчик В.В. Повышение качества электроснабжения и эффективности электрооборудования предприятий с непрерывными технологическими процессами. Гомель: Гом. гос. техн. ун-т, 2002. — 283 е.: ил.

46. Пуш В.Э., Пигрет Р., Соснкин B.JI. Автоматические станочные системы. М.: Машиностроение, 1982. - 319 с.

47. Радзевич С.П. Формообразование поверхностей деталей. Основы теории. К.: Растан, 2001. - 592 е.: ил.

48. Ротач В.Я. Теория автоматического управления: Учебник для вузов. М.: 1985. - 400 е.: ил.

49. Соломенцев Ю.М., Митрофанов В.Г. Адаптивное управление технологическими процессами. М.: Машиностроение, 1981. — 228 с.

50. Старков В.К. Обработка резанием. Управление стабильностью и качеством в автоматизированном производстве.- М.: Машиностроение, 1989.- 296 с.

51. Статические компенсаторы для регулирования реактивной мощности / Под ред. P.M. Матура. Пер. с англ. М.: Энергоатомиздат, 1987.

52. Суслов А.Г. Технология машиностроения. Учебник 2-е изд. М.: Машиностроение, 2007. - 430 е.: ил.

53. Схиртладзе А.Г., Серебреницкий П.П. Краткий справочник станочника. — М.: Дрофа, 2008.

54. Филатов В.В., Чумаев Д.А. Анализ управляемости трехфазного асинхронного электродвигателя // Вестник МГТУ «Станкин». М.: Издательство МГТУ «Станкин», № 4(4), 2008. С. 93-101.

55. Харизоменов И.В., Харизоменов Г.И. Электрооборудование станков и автоматических линий. М.: Машиностроение, 1987. — 224 е.: ил.

56. Хернитер Марк Е. Multisim 7: Современная система компьютерного моделирования и анализа схем электронных устройств. (Пер. с англ.) М.: Издательский дом ДМК-пресс, 2006. - 487 с.

57. Чекваскин А.Н., Семин В.Н., Стародую К.Я. Основы автоматики. М.: Энергия, 1977. - 448 е.: ил.

58. Черпаков Б.И. Автоматизация и механизация производства. Учебное пособие. М.: Академия, 2004. - 384 е.: ил.

59. Черпаков Б.И. Металлорежущие станки. 3-е зд. — М.: Академия, 2008.-368 е.: ил.

60. Шандров Б.В. Автоматизация производства (металлообработка) 2-е изд. Учебник. 2006.

61. Шенк X. Теория инженерного эксперимента. Пер. с англ. - М.: Мир, 1972.

62. Шварцбург Л.Э. Информационно-измерительные системы приводов металлорежущих станков. М.: Издательство «Станкин», 1991. — 181 е.: ил.

63. Шварцбург Л.Э. Датчики обратной связи станков с ЧПУ. — М.: НИИМАШ, 1982.-38 с.

64. Шварцбург Л.Э., Змиева К.А. Параметрическая оптимизация электроприводов технологического оборудования посредством автоматических конденсаторных установок // Вестник МГТУ «Станкин». М.: МГТУ «Станкин», №4 (4), ISSN 2072-3172, 2008. С. 138-143.

65. Электротехнический справочник. Изд. 3-е, переработ, и доп. Под общ. ред. А.Т. Голована. М.Г. Чиликина (глав, ред.) и др. T.l М. JL, Госэнергоиздат, 1961. - 736 е.: ил.

66. Энергетическая стратегия России на период до 2020 года. М.: Минэнерго России, 2001. - 544 с.

67. Power Factor Correction. Power Quality Solutions. Published by Epcos AG. Edition 04/2006. Ordering No. EPC:26017-7600. Printed in Germany. -79 p.